Additive Fertigung
Der Begriff Additive Fertigung (Additive Manufacturing), umgangssprachlich als 3D-Druck bekannt, ermöglicht es Objekte Schicht für Schicht herzustellen. Aufgrund des Fortschritts im Computed Aided Design (CAD) und der Computer Numerical Control (CNC) ist es nun möglich Maschinen herzustellen, die den 3D-Druck als Funktionsprinzip verwenden und als Input ein CAD-Modell verwenden. Obwohl diese Technologie vor drei Jahrzehnten bereits entwickelt wurde, erlangte sie erst in den letzten Jahren weltweit Beachtung, weil die Patente, die den Einsatz der Technologie bis dato einschränkten, abgelaufen waren. Somit ist es nun heutzutage möglich, 3D-Komponenten in den verschiedensten Materialien und Geometrien kostengünstig zu drucken.
Relevanz
Additive Fertigungsverfahren, umgangssprachlich häufig als 3D-Druck bezeichnet, haben sich in den letzten Jahren von der reinen Prototypenherstellung („Rapid Prototyping“) hin zur Produktion funktionsfähiger Endbauteile („Rapid Manufacturing“) weiterentwickelt. Während Rapid Prototyping primär auf die schnelle und kostengünstige Herstellung von Modellen zur Design- und Konzeptvalidierung abzielt, ermöglicht die additive Fertigung heute die Herstellung komplexer, funktionaler Komponenten mit hohen Anforderungen an Materialeigenschaften und Präzision. Ein wesentlicher Vorteil additiver Fertigungsverfahren besteht im schichtweisen Aufbau der Bauteile, wodurch nahezu beliebige Geometrien realisiert werden können, die mit konventionellen Fertigungsverfahren wie Gießen, Fräsen oder Schmieden nur schwer oder gar nicht herstellbar wären. Dies eröffnet insbesondere für Hochleistungsanwendungen, beispielsweise im Bereich der Luft- und Raumfahrttechnik sowie der Medizintechnik, neue Möglichkeiten. In der Luftfahrtindustrie werden additive Verfahren genutzt, um gewichtsoptimierte, lastpfadgerechte Strukturen zu fertigen, während in der Medizintechnik patientenspezifische Implantate und Prothesen mit komplexen Geometrien realisiert werden können. Mit dem Fortschritt im Bereich des metallischen 3D-Drucks („Metal Additive Manufacturing“, MAM) steigt das Interesse verschiedenster Industriezweige, da diese Technologien eine hohe Bauteilqualität, Maßgenauigkeit und mechanische Belastbarkeit ermöglichen. Ein Beispiel hierfür ist die Herstellung von Turbinenschaufeln, Leichtbaustrukturen oder individualisierten medizinischen Implantaten.
Problemstellung und Fokus
Der anhaltende Boom in der additiven Fertigung („3D-Druck“) führt zu einem stetig wachsenden Interesse an der Herstellung funktionaler Komponenten, die nicht nur für Prototypen, sondern auch für den Endgebrauch geeignet sind. Besonders hervorzuheben ist hierbei die außergewöhnliche Designfreiheit, die additive Fertigungsverfahren ermöglichen, sowie die zunehmende Mobilität moderner 3D-Drucksysteme. Diese Eigenschaften machen die Technologie auch für Anwendungen in der Rüstungsindustrie und im Militär attraktiv, da sie die dezentrale Herstellung von Ersatzteilen und funktionskritischen Bauteilen direkt im Einsatzgebiet, auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen, erlauben. An unserem Institut werden insbesondere zwei Verfahren intensiv erforscht: Die Materialextrusion (Material Extrusion, MEX), die vorrangig für die Verarbeitung von Polymerwerkstoffen eingesetzt wird, sowie das selektive Laserstrahlschmelzen von Metallen (Powder Bed Fusion – Laser Beam/Metal, PBF-LB/M), das die Herstellung von hochbelastbaren, geometrisch komplexen Metallbauteilen ermöglicht. Diese Technologien eröffnen neue Wege für die Fertigung von Ersatzteilen und die Optimierung bestehender Komponenten, sowohl im industriellen als auch im sicherheitsrelevanten Kontext. Ein zentrales Forschungsfeld unseres Instituts ist die Entwicklung und Anpassung von Entwicklungsmethodiken, die speziell auf die Potenziale und Anforderungen der additiven Fertigung zugeschnitten sind. Denn um das volle Potenzial der additiven Fertigung auszuschöpfen, ist eine konstruktive Neuausrichtung („Design for Additive Manufacturing“, DfAM) erforderlich, bei der Bauteile idealerweise grundlegend anders entwickelt und gestaltet werden als für konventionelle Fertigungsverfahren.
In diesem Kontext beschäftigen wir uns des Weiteren mit folgenden Forschungsschwerpunkten:
- IT-Prozesskette für 3D-Druck-kompatible Konstruktionen
- Reverse Engineering und Re-Design von Ersatzteilen für den 3D-Druck
- Computergestützte Simulationen und Topologieoptimierungen
